厚煤层无煤柱自成巷柔模混凝土支护技术

， ，，，斌慧

(1.陕煤集团 神木柠条塔矿业有限公司，陕西 榆林 719300；2.中国矿业大学(北京) 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京 100083)

沿空留巷技术是目前矿井普遍采用的无煤柱开采技术之一[1-3]。沿空留巷的核心技术是采用一定的巷内支护技术和巷旁支护技术将上一区段的回采巷道保留下来供下一区段使用。该技术成功的实现了无煤柱开采，同时具有减少巷道掘进量、取消区段煤柱、提高煤炭资源回收率、实现 Y 型通风、降低工作面隅角瓦斯积聚等优势[4，5]，从而降低矿井生产成本，对于安全高产高效矿井建设起到一定的推动作用。且该技术理论成熟，施工简单方便，不影响综采工作面的正常回采速度，能有效减少采空区遗留煤自然发火的可能性，是我国煤炭井工开采的先进技术之一[6]。但由于目前的沿空留巷技术的巷内支护仍采用刚性支护，不能适当让压，易发生大变形导致支护材料失去强度。而巷旁支护技术支护强度低且不能及时支护，充填系统施工复杂，充填成本较高，留巷速度慢，且接顶效果差，漏风严重，整体安全性差等[7]。同时沿空留巷技术所留的巷道是通过掘进机掘出的巷道，随着工作面推进，把掘出的巷道保留下来，即留巷的前提一定是先掘出巷道。针对上述问题，我国何满潮院士创新性地提出了一种不需提前开掘巷道、不留设煤柱的新技术。在一边采煤的同时，一边形成巷道，应用一系列的关键工艺和装备将形成的巷道保留[8]。该技术在陕西柠条塔矿S1201-II工作面成功试验，取得了良好的应用效果。

留巷过程中，沿空留巷巷旁支护技术由木垛、密集支柱、矸石带、混凝土砌块等传统低强度支护方式，发展到目前高水速凝材料和膏体材料等高强度支护方式[9]。低强度支护不能满足留巷要求，高强度支护成本高、施工复杂等问题至今仍是留巷的难题。针对这类问题西安科技大学王晓利教授课题组研发了柔模混凝土支护技术，柔模混凝土支护技术具有工艺简单、施工速度快、安全性高、成型时间短、密封接顶效果好、支撑能力强等优点[10]。结合柠条塔S1201-II工作面切顶卸压自成巷新技术现场生产，决定随着工作面推进，采空区侧的挡矸支架待巷道围岩变形稳定后，用柔模混凝土柱替换挡矸支架，替下来的挡矸支架可以继续随着工作面的推进循环使用，既保证了施工速度同时又节约了初期成本。这种用柔模混凝土柱作为永久性支护技术在柠条塔S1201-II工作面应用效果显著，留巷效果良好。

1 工程概况

1.1 工程地质及巷道布置

工作面老顶为中粒砂岩，厚5.4～21.5m，灰白色，回采区域以中粒砂岩为主，工作面外段，局部顶板含砂质泥岩，成分以石英为主，长石次之，分选性中等，具大型交错层理。直接顶为粉砂岩，厚0.78～4.05m，灰色，灰白色，回采区域以中粒砂岩为主，工作面外段，局部顶板含砂质泥岩，成分以石英为主，长石次之，分选性中等，具大型交错层理。直接底为粉砂岩，厚1.8～16.3m，灰色，夹细粒砂岩薄层，并与之互层，见有劈理，工作面外段局部底板为炭质泥岩。老底为细粒砂岩，厚3.2～19.6m，白色灰薄层状细粒长石石英砂岩，含白云母碎片，具波状层理。

柠条塔煤矿S1201-II工作面位于2-2煤层，工作面倾向长度280m，走向长度2344m，可采储量336.7万t，煤层厚度3.81～4.35m，煤层平均厚度4.11m，埋藏深度90～165m，煤层赋存稳定，煤层倾角近水平。工作面巷道布置方式如图1所示。S1201-II工作面采煤步距800mm。左侧为S1201-I辅运巷，巷道断面为矩型，尺寸5200mm(宽)×3750mm(高)；右侧为切顶卸压无煤柱自成巷预留设巷道，预留设长度为2344m，断面尺寸为6200mm(宽)×3750mm(高)。

1.2 工作面初期支护方案及参数

1)切缝参数及留巷尺寸。通过采空区矸石垮落膨胀系数计算得出切缝高度为9m，为了保证顶板顺利的垮落，减少垮落时摩擦力带来的影响。切缝角度定为10°，向采空区侧倾斜。留巷的宽度为6.2m，高度为3.75m。

2)顶板支护及参数。巷内顶板支护采用“恒阻大变形锚索+W钢带+铅丝网”，恒阻大变形锚索采用Φ21.8mm×10.5m，留巷顶板每排布置5根恒阻值为35t的恒阻大变形锚索，锚索排距800mm(一个采煤步距)，第一根锚索距切缝线500mm，锚索间距自切缝侧分别为1245mm、1295mm、1230mm、1230mm。

3)挡矸支护及参数。切顶卸压自成巷技术一边采煤一边形成巷道，这就需要在留巷过程中采空区侧的巷旁支护要有足够的承载能力。为了保证留巷安全性和留巷质量，决定采用与该技术配套的“挡矸支架+U型钢+金属网”作为巷旁支护。U型钢间距为600mm，U型钢竖直布置，并使用铁丝将其与金属网连接固定。安装完成后利用档矸支架侧向挡矸横梁抵紧U型钢。

2 巷旁支护存在的问题

由于挡矸支架的成本较高，如果整条留巷都需要挡矸支架作为巷旁支护结构，则会造成留巷初期成本过高的问题，为了解决挡矸支架作为巷旁支护成本突出问题，现场考虑了目前应用比较广泛的柔模混凝土巷旁支护技术，并对柔模混凝土支护技术与挡矸支架支护技术的优点、缺点进行了对比。两种巷旁支护结构对比见表1。

表1 两种巷旁支护结构对比

对比表1分析可知，结合厚煤层无煤柱自成巷技术初期需要一定的支护强度和强度增速，则采用挡矸支架作为临时支护，购入一定数量后，为了节约初期成本，当巷道围岩变形稳定后采用柔模混凝土柱替换挡矸支架作为永久支护结构，充分发挥了两种支护的优点，同时避开了其缺点。从而得到了最优巷旁支护方案。

3 柔模混凝土柱的设计与施工

3.1 柔模混凝土柱布置方式及参数

由于混凝土初期承载力低，达到最大支护强度需要一定的硬化时间，柔模混凝土柱泵送后，到混凝土强度达到一定强度后，才开始撤掉挡矸支架供给工作面循环使用。其柔模混凝土支柱布置方式如图2所示。具体参数如下：

图2 柔模混凝土支柱布置方式示意图(mm)

1)采空区侧安装1排直径为600mm的柔模混凝土支柱，支柱位于原单元支架间，支柱的间距为3000mm。

2)混凝土支柱的强度等级选取为25MPa(最终强度25～30MPa)，通过实验室试验，混凝土的主要配合比为水泥∶砂子∶石子∶水=1∶2.4∶2.94∶0.88，其密度为2100kg/m3，即每立方米混凝土水泥的用量为291kg，砂子的用量为698kg，矸石(取自采空区破碎)的用量为854kg，水的用量为257kg。混凝土采用地面搅拌后通过车运送到井下巷道内的移动泵站车，然后通过泵站车对柔模进行泵注，一车混凝土可以一次泵注两个柔模混凝土支柱。

3)接顶采用水泥与水玻璃双浆液注浆包，注浆包的重量配合比为水泥∶水玻璃=1∶1。

3.2 柔模混凝土支柱承载力验算

3.2.1 计算模型

根据英国威特克“分离岩块法”的方法，将巷旁支护计算简化为计算模型，如图3所示，其计算理论依据是：巷道和支护体上方一定范围内分离岩块的质量构成了支护体的荷载[11]。

图3 支护体荷载计算模型

计算模型需要假设上部分离岩块均质，在岩块顶部和两边没有作用力，岩块两边剪切角相同，重心在分离岩块几何中心；柔模混凝土支柱受压时是中心受压。

3.2.2 支护体荷载计算

计算模型中上部分离岩块受重力G，支护体支护荷载N1，为了使整个结构平衡同时对O点取矩。得到如下平衡公式：

G·L3=N1·L2

即：L1·B·H1·γs=N1·L2

式中，G为分离岩块重力，N；B为两个相邻混凝土柱距离，即分离岩块的宽，取3m；H1为分离岩块高度，当切缝高度为9m、角度10°时，H1=9cos10°；γs为直接顶和基本顶的平均重度，取22.8kN/m3；N1为支护体支护荷载，kN；L1为留巷宽度，m；L2为支护体中心到O点的水平距离，m；L3为分离岩块重心到O点的水平距离，m。

经计算，两个相邻支护体之间的支护荷载为2557.63kN。

3.2.3 支护体承载能力计算

柔模混凝土支柱要求严格接顶，则高度为巷道高度3.75m，直径为0.6m，长细比为6.25。查阅轴心受压构件计算方法，构件的稳定系数φ=1。支护体的承载能力计算公式如下所示：

N2=0.9φ×Afc

式中，N2为支护体承载能力，kN；φ为稳定系数；A为支护体截面面积，m2；fc为混凝土轴心抗压强度，C25时为11.9N/mm2。

N2=0.9×1×0.09π×11.9×103=3026.65kN

经计算，一根柔模混凝土支柱的承载能力为3026.65kN。

计算支护体荷载是以两个相邻混凝土柱这一部分为计算模型的，当为连续的巷道时，一根柔模混凝土支柱的承载能力为3026.65kN，大于这部分岩块的支护荷载2557.63kN。因此满足巷旁支护稳定性。

3.3 柔模混凝土施工工艺过程

混凝土支柱施工具体工艺包括打短锚杆、悬挂充填袋、泵注、接顶，具体施工参数及现场施工如下：

1)补打悬挂充填袋所需的短锚杆：每根支柱需4根锚杆，位于支柱位置正上方，间排距700mm×700mm，锚杆外露150mm左右。

2)悬挂充填袋：用马蹄环将充填袋悬挂在补打的短锚杆上，悬挂完成后控制袋子底部距底板100～150mm左右。

3)浇注混凝土支柱：由采空区侧开始浇注，一根全部浇注完成后再进行下一根的浇注。

4)接顶：支柱初凝后拆除马蹄环，在支柱与顶板之间预留20～30cm的空间放入接顶充填袋，每两根一组进行接顶注浆。

4 现场应用效果

柠条塔S1201-Ⅱ工作面柔模混凝土柱应用前后。对其巷道围岩变形情况进行了监测，在采用挡矸支架作为巷旁支护时，在滞后工作面150m范围内，围岩变形处于不稳定状态，当滞后工作面150m以外时，围岩变形基本稳定。在工作面推进到840m时，从切眼位置逐步利用柔模混凝土柱替换挡矸支架，替换前后围岩变形基本保持稳定，说明柔模混凝土柱能够很好地代替挡矸支架，同时柔模对混凝土的约束作用能提高混凝土柱的承载能力，从而保证巷旁支护的稳定性。

图4 保留的挡矸支架受力图

为了保证利用柔模混凝土柱替换挡矸支架(切顶支架)的安全性，同时由于柔模混凝土柱的受力情况不容易测量，为了便于观测其受力情况，采用从距离开切眼10m处开始，每隔20m保留一个挡矸支架(切顶支架)。随着柔模混凝土柱替换挡矸支架(切顶支架)，分别记录了10m处和30m处的挡矸支架(切顶支架)的受力情况，如图4所示，从而推测出柔模混凝土柱的受力情况。从其所留的挡矸支架(切顶支架)的受力情况可知，当用柔模混凝土柱替换掉挡矸支架(切顶支架)后，在替换后的40m内，所留挡矸支架压力有所上升，最大达到28MPa，但在替换后的60m外，所留挡矸支架压力达到稳定值8MPa。通过对所留挡矸支架受力分析可推之柔模混凝土柱也是类似的受力情况。从而可以说明，利用柔模混凝土柱替换挡矸支架，可以满足巷道稳定性。

5 结 论

1)柔模混凝土支护技术具有自成型、支模速度快、工艺简单、造价低等优点，并从初期成本角度考虑，柠条塔S1201-Ⅱ工作面决定初期利用挡矸支架作为巷旁支护，待围岩稳定后，用柔模混凝土支护技术代替挡矸支架。充分利用了两者的优点，避开其缺点，使巷旁支护得到合理的优化。既节约了留巷成本，又保证了留巷安全性和留巷质量，对其他矿区留巷技术提供借鉴。

2)柔模混凝土柱设计为直径600mm，柱间距为3000mm，采用混凝土强度等级为25MPa。利用“分离岩块法”对混凝土柱支护建立了力学模型，并进行了承载力验算，满足巷道稳定性要求。并阐述了柔模混凝土柱的施工工艺过程。

3)根据监测数据，在滞后工作面150m内，巷道围岩属于不稳定变化区，在滞后工作面150m外，巷道围岩基本稳定。利用柔模混凝土柱代替挡矸支架后，结合监测数据和成巷效果，巷道围岩变形基本稳定，留巷效果很好。